模具失效总结.doc

1.1模具的相关定义、模具寿命的基本概念模具：其是用来成型各种工业产品的一种重要工艺装备，是机械制造工业成型毛坯或零件的一种手段。模具寿命：模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前加工的产品的件数。制件报废：模具生产出的制品出现形状、尺寸及表面质量不符合其技术要求的现象而不能使用。模具服役：模具安装调试后，正常生产合格产品的过程。模具损伤：模具在使用过程中，出席那尺寸变化或微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧失服役能力的状态。模具失效：模具收到损坏，不能通过修复而继续服役。早期失效：模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时。正常失效：模具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役。模具正常寿命：模具正常失效前生产出的合格产品的数目。1.2模具失效形式基本概念模具失效：在特定负荷作用下，具有特定形状的模具材料的失效磨粒磨损:工件表面的硬突出物或外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落。 粘着磨损:工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落。疲劳磨损:两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落。 气蚀磨损:当模具表面与液体接触作相对运动时，接触处形成气泡，气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑。冲蚀磨损:液体和固体微小颗粒高速落下，反复冲击到模具表面，局部材料流失，在金属表面形成麻点和凹坑。腐蚀磨损:在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表层材料脱落。断裂失效：模具在工作过程中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象。韧性断裂：断裂前产生明显的宏观塑性变形，端口截面尺寸减少，有颈缩现象。脆性断裂：断裂前变形量很小，没有明显的塑性变形量，端口尺寸无明显变化，不产生颈缩。沿晶断裂：裂纹沿多晶体晶界扩展分离产生的断裂，晶界上存在着脆性相、热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等引起的断裂。穿晶断裂：当材料韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲击载荷时，裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。疲劳断裂：指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，由裂纹缓慢扩展，最后发生断裂。正断：断口的宏观表面垂直于最大正应力或最大正应变方向的断裂。切断：断口的宏观表面平行于最大切应力方向的断裂。1.3模具的性能指标相关概念模具材料抗失效性能指标三大类型：材料抵抗过量变形失效的性能指标、材料抵抗断裂失效的性能指标、材料抵抗表面损伤失效的性能指标。材料抵抗抗过量变形失效的性能指标：弹性变形抗力指标和塑形变形抗力指标弹性：材料产生弹性变形的能力，刚度：材料抵抗变形的能力。材料的刚度指标：弹性模量E和切应变模量G材料的塑形变形：是指微观结构的相邻部分发生了永久性的位移，并不引起材料的破裂的现象，是不可逆转的变形。材料抵抗断裂失效性的性能指标：模具受载荷的性质，断裂形式分为一次断裂和疲劳断裂。当模具中的应力单调的增加并超过一定临界值时，材料就会迅速发生快速断裂，当模具承受高于一定临界值的交应变力作用时，经过相当多周次的服役后，材料会发生疲劳断裂。正断抗力：衡量材料抵抗正断的性能指标。切断抗力：衡量材料抵抗切断的性能指标。低应力脆断：材料脆性断裂事先没有明显征兆，且在名义应力较低的情况下突然发生。冲击韧度：可以反映了材料断裂过程中吸收能量的大小，包含了加载速度和缺口应力集中对材料断裂抗力的影响，是衡量材料脆性断裂抗力的重要指标。断裂韧性：是材料抵抗裂纹失稳扩展的抗力指标，表示材料所能承受的裂纹尖端的最大应力强度因子值。疲劳：模具在循环应力的作用下经历过一定周期次数所发生的断裂失效。低周疲劳:最大循环应力接近或高于材料的屈服强度，使材料的应力集中处等薄弱部位发生塑性变形，因而材料在每一周次的循环应力作用下，产生的一定幅度塑性变形，低周疲劳寿命较短，一般在102105次的范围内。冲击疲劳：冷镦模和锤锻模等在冲击载荷的多次作用下所发生的疲劳破坏。热疲劳：热作模具工作表面承受循环热负荷，使得表面材料发生循环胀缩变形，该变形受到外界的约束不能自由地进行时，使表面材料产生循环热应力，其反复作用将使模具表面多处产生沿晶和穿晶裂纹的现象。材料粘着磨损的抗力指标：包括接触压力、摩擦速度、热点温度、润滑情况等。接触应力：两物体在压力作用下相互接触时，由于接触表面处的局部弹性变形所产生的应力。接触疲劳：承受冲击的模具，其工作表面的某些区域受较高接触应力的周期作用，经过一定的周次后，在这些区域中产生深度不同的小片或小块状剥落，造成便面上针状或豆状凹坑的现象。硬度：表达材料表面上不大体积内抵抗变形或破裂能力的衡量材料软硬程度的一种力学性能。布氏硬度：用一定大小的载荷，把淬火钢球或硬质合金球压入式样表面，保持规定时间后卸除载荷后，所计算的压痕的表面积与载荷的比值。洛氏硬度：采用压入硬度试验方法，测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。1.4表面处理技术的相关概念模具表面处理技术的目的：能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化、抗热粘着、抗冷热疲劳等性能，同是能使材料心部保持原有的强韧性。化学热处理：指将钢件置于特定的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层的化学成分、组织，是表层具有与心部不同的力学性能或特殊的物理、化学性能的热处理方法。气相沉积技术：将含有形成沉积元素的气象物质输送到工件表面，在工件表面形成沉积层的工艺方法。热喷涂技术：将涂层材料加热融化，以告诉气流将起雾化成极细的颗粒，并很高的速度喷射到事先准备好的工作表面上，形成涂层。3.1模具的分类1. 按模具的加工材料的再结晶温度分：冷变形模具、热变形模具、温变形模具。2. 按模具加工配料的工作温度分：热作模具、冷作模具、温作模具。3. 按模具成型材料分：金属成型用模具、非金属成型用模具。4. 按模具的用途分：锻造模、冲击模、挤压模、拉拔模、压锻模、塑料模、陶瓷模、玻璃模、其他。5. 按模具成型工艺分：普通锻模：镦锻模、加热锻；挤压：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压；拉拔：拉丝、拔管；冲压；压铸；塑料成型：模压成型、挤压成型、注射成型。6. 按模具失效形式分：表面损伤、过量变形、断裂3.2失效条件有哪些? 答：引起模具失效的因素有内因和外因。内因即材料方面，包括材料品质及加工工艺方面的各种因素;外因即环境方面，包括受载条件、时间、温度及环境介质多个因素。任何模具的失效都是在材料的强度、韧性与应力因素和环境条件不适应的条件下发生的。 3.3提高模具寿命的途径 答：提高模具寿命的途径有：合理地设计模具; 正确选材，开发模具新材料，改善原材料质量; 采用先进的热处理工艺，提高模具热处理质量; 保证加工质量，采用新的加工方法; 改进加工设备和工艺，合理使用，维护模具等。 3.4模具失效的影响因素有哪些? 答：模具失效既有材料方面的因素也有环境方面的因素。材料方面原因为内因，包括材料品质及加工工艺方面的因素;环境方面的因素为外因，包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。任何模具的失效都是在材料的强度、韧性与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。 3.5常用的表面处理技术有哪些?表面处理的目地？答：常用的表面处理技术按其原理可分为：化学热处理、表面涂覆处理，表面加工强化处理。渗碳、渗氮、渗硼以多种元素共渗时属化学热处理；堆焊、镀硬络、超硬化合物涂层属表面涂覆处理；喷丸属表面加工强化处理。还有气相沉积技术、热喷涂技术、激光表面技术、电子束表面处理技术、离子注入技术等。 表面处理技术的目的是有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化、抗热粘着、抗冷热疲劳等性能，同时能使材料心部保持原有的强韧性。 3.6影响低周疲劳的因素，低周疲劳特点是什么? 答：低周疲劳的特点:最大循环应力接近或高于材料的屈服强度，他足以使材料的应力集中处等薄弱部位发生塑性变形，因而材料在每一周次的循环应力作用下，均产生一定幅度的塑性变形，低周疲劳寿命较短，一般在102105次的范围内。 影响低周疲劳的因素: 应力集中的影响，表面状态的影响，尺寸因素的影响，材料本身的影响 3.7什么是模具的脆性断裂?影响脆性断裂的因素有哪些 答：模具的脆性断裂是指断裂前变形量很小，没有明显的塑性变形量，端口尺寸无明显变化，不产生颈缩。影响脆性断裂的因素:取决于材料本身的性质和健全度以及模具的工作条件，如应力状态、工作温度、加载速度、环境介质等外界因素。材料的性质和健全度：材料的正断抗力低，剪切屈服强度高时，起脆性断裂的倾向大，反之，不易发生脆性断裂。材料的体积尺寸越大，所包含的缺陷越多，正断抗力就越低。应力状态：应力状态越软，材料发生韧性断裂的倾向越大，反之，应力状态越硬，材料倾向于脆性断裂。工作温度： 温度在韧-脆转变温度以上是材料的性能变化不大，温度在韧-脆转变温度以下时材料处于脆性状态。加载速度：加载速度在临界值以下时，材料的屈服强度升高，正断抗力变化不大，加载速度增加到临界值以上时，材料处于脆性状态。 3.8影响模具寿命的因素 答：影响模具寿命的因素有：1 内在因素 主要指模具的结构、模具的材料和模具的加工艺。 1) 模具结构 合理的模具结构能使模具在工作时受力均匀，应力集中小，也不易受偏载。2) 模具材料 材料的成份、组织、质量及性能对模具的使用寿命有较大的影响。3) 模具的加工工艺 其包括模具毛坯的锻造、零件的切削加工、电加工和热处理等。2 外在因素 包括模具的工作条件和使用维护、制品的材质和形状大小等。 模具的工作条件包括被加工坯料的状况，锻压设备的特性及工作条件，模具工作中的润滑、冷却剂使用维护状况。 3.9模具材料抗失效的性能指标 答：模具材料抗失效的性能指标：1 材料抵抗过量变形失效性能指标，其主要有弹性变形抗力指标和塑性变形抗力指标。1) 材料抵抗弹性变形的性能指标主要是弹性模量和切变模量。2) 材料抵抗塑性变形的性能指标是材料的硬度值，在外力作用下，模具整体或局部产生的应力大于模具材料屈服点的应力值。2 材料抵抗断裂失效性能指标的分为快速断裂抗力指标和疲劳断裂抗力指标。1) 材料抵抗快速断裂的抗力指标为正断抗力和切断抗力。2) 材料抵抗疲劳断裂的抗力指标为平均应力，应力半幅，应力比、疲劳极限。 3.10模具磨损形成原理 答：磨损分为:磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损。 磨粒磨损:工件表面的硬突出物或外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落。 粘着磨损:工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落。 疲劳磨损:两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落。 气蚀磨损:当模具表面与液体接触作相对运动时，接触处形成气泡，气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑。冲蚀磨损:液体和固体微小颗粒高速落下，反复冲击到模具表面，局部材料流失，在金属表面形成麻点和凹坑。腐蚀磨损:在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表层材料脱落。 3.11模具影响粘着磨损与疲劳磨损的因素 答：影响粘着磨损的因素: 1 材料性质:材料的塑性越好，粘着磨损越严重;2 材料硬度:模具材料和工件材料硬度相差越大，则磨损越小。3 模具与工件表面压力:粘着磨损量随表面接触压力增大而增加。4 滑动摩擦速度:滑动速度在一定范围内，温度上升有利于抗粘着磨损，超过这一范围则使粘着磨损增加。影响疲劳磨损的因素: 1 材料的冶金质量:钢材中的气体含量，非金属夹杂物类型、大小、形貌和分布状态是影响疲劳磨损的重要因素。2 材料的硬度:硬度增加，强度增加，抗疲劳能力增加，但硬度高于一定值时抗疲劳磨损能力降低。3 表面粗糙度:表面粗糙度越小，接触面积越大，有利于提高抗疲劳磨损的能力。 3.12模具按加工坯料的工作溫度分类，锤锻模受热情况 答：按模具加工坯料的工作温度分：热作模具 高温下进行加工;冷作模具 常温下进行加工;温作模具 介于以上两者之间。 锤锻模的受热:锻前预热 模具在使用前先要进行预热 与坯料接触的 在工作中与炽热坯料接触进一步被加热 变形热.和摩擦 坯料变形以及与型腔表面摩擦所产生的热量有一部分被模具吸收。 3.13冷挤压模具分类 答：冷挤压模分为四种类型: 1 正挤压 金属坯料的流动方向与凸模运动方向相同2 反挤压 金属坯料的流动方向与凸模运动方向相反 3 复合挤压 金属坯料的流动方向一部分与凸模运动相同，另一部分与凸模运动方向相反 4 径向挤压 金属坏料的流动方向垂直于凸模运动方向 3.14模具材料性能分类，其工艺性能包含什么?使用性能包含什么? 答：模具材料的基本性能包括使用性能和工艺性能。 其使用性能包括: 1 强度 模具材料的强度是模具抵抗失效最重要的性能，常用屈服强度、抗拉强度、断裂韧度 作为模具设计的重要指标。2 冲击韧度和冲击功 其是衡量模具承受冲击载荷或冲击能量能力的指标。3 硬度 是指材料抗外部物体压入的能力。4 耐磨性 是指材料抗磨损的能力。一般，强度或硬度及韧性越高，材料耐磨性越好。5 耐蚀性 是指材料抗周围介质腐蚀的能力。6 热稳定性 是指在高温下，材料保持其组织、性能稳定的能力。7 耐热疲劳 是指高温下，材料承受应力频繁变化的能力。 其工艺性能包括: 1 锻造工艺性能 是指材料对锻造工艺的适应性。2 切削加工工艺性能 是指材料加工的难易程度。3 热处理工艺性能 是指材料在热处理时，获得所需组织、性能的难易程度。4 淬透性 是指材料在一定条件下进行淬火，获得淬透层深度的能力。4.1冲裁模失效分析冲裁是利用冲裁模在压力机上使板料分离的一种冲压工艺，依靠冲裁模刃口，使板料分离，它既可以直接冲压出所需的零件，又可以为其他冲压工艺制造毛坯。板料分离过程分为四个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、萌生裂纹阶段、裂纹扩展分离阶段。完成分离后，上模上行，一次冲裁过程结束。模具刃口受力分析：弹性变形阶段凸、凹模的端面收正压力，塑性变形阶段开始，由于凸模已伸入板料中，而板料的中间部分已伸入凹模刃口内，产生了侧压力，同时，由于凸凹模与板材发生相对运动，产生摩擦力。由于凸、凹模之间存在间隙，冲裁时两模受到的力不在同一直线上，所以板材还受转矩的作用，使板材发生穹弯和翘曲。板材变形后使得凸模刃口和凹模刃口与板材的接触面积变小。凸、凹模刃口边缘产生应力集中，且所受冲击力大。冲裁模的主要失效形式：冲裁时，使分离板料，受力主要集中于刃口附近，因此它的正常失效形式为磨损，且主要是粘着磨损，同是伴生着磨粒磨损，冲裁过程不停循环，时间过长会产生疲劳磨损。有凸、凹模受力分析可知，刃口处磨损最严重，且与凸、凹模的工作行程中可以知道，凸模比凹模磨损得更快。影响冲裁模失效的主要因素：1 冲裁间隙 间隙的大小影响凸、凹模刃口对板料的作用力合力的距离，影响板材剪切过程的进行，同时也对凸、凹模的刃口的应力情况产生影响。小间隙时，不利于剪切过程的进行，刃口已发生啃模的现象，刃口处的应力增大，加剧凸、凹模的磨损，易造成模具的早期失效。大间隙时，板材转矩增大，摩擦力增大，刃口处所受拉应力增大，也会加剧模具刃口磨损。2 压边状态 冲裁过程中由于间隙的存在，凹凸模刃口作用力会形成转矩，造成板料弯曲和翘曲以及坯料相对于凹模端面滑动，部分材料被拉进凹模内，板料塑性增加，所需冲裁力也增加，落料的外轮廓尺寸变大，由于回弹，落料将胀着凹模内，在卸料过程中，严重摩擦凹模，而剩余板料则套在凸模外，在卸料过程中，强烈磨损凸模。提高冲裁模寿命的措施：1、 尽量采用大间隙，降低冲裁力，避免啃模和不均匀磨损；2、 采用弹性卸料板，可提供一定的压边力，从而降低冲裁力以及板材对冲头和凹模的摩擦磨损；3、 采用导向装置，保证工作状态的均匀间隙，克服刃口的不均匀磨损；4、 增加凸模刚度，增加其抗偏载能力；5、 选取耐磨性好的模具材料，且凸模材料的耐磨性应选得比凹模材料的耐磨性好；6、 采用表面强化技术，提高模具表面的耐磨性；7、 超前维修，避免凸凹模间隙不均而产生附加弯矩及防治磨损沟痕处产生裂纹，提高模具寿命。4.2断裂抗力指标？如何判别正断、切断？脆断、韧断？ 答：根据模具所受载荷的性质，断裂形式分别为快速断裂和疲劳断裂。当模具中的应力单调地增加并超过一定临界时，材料便会迅速发生快速断裂；当模具承受高于一定临界值得交变应力作用时，尽管其最大应以低于材料屈服点，经过多次重复服役后，材料会发生疲劳断裂。 指标：模具的疲劳断裂是在交变载荷的作用下发生的，实际中常采用疲劳极限作为疲劳断裂失效的抗力指标。 断裂抗力指标：工程上采用Sk作为衡量材料抵抗正断的性能指标，称为正断抗力；用Tk作为衡量材料抵抗切断的性能指标，称为切断抗力；模具材料对塑性变形的抗力，实质上是剪切屈服强度，用Ts表示。1 当载荷增大，使得最大正应力值卡与正断抗力，而自始自终最大切应力小于剪切屈服强度时，材料发生正断，断裂前无塑性变形，是脆性断裂。2 当载荷增大，先使最大切应力大于剪切屈服强度，然后使最大切应力大于切断抗力，而自始至终最大正应力小于正断抗力时，材料先发生塑性变形，然后发生切断，是韧性断裂。3 当载荷增大，先使最大切应力大于剪切屈服应力，继而使最大正应力大于正断抗力，然而最大切应力小于切断抗力指标时，材料先发生塑性变形，然后发生正断，是韧性断裂。 什么是韧性断裂：断裂前产生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收较多的能量，一般是在高于材料屈服应力条件的高能断裂。 什么是脆性断裂: 断裂前的变形量很小，没有明显的塑形变现量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。或者是在单调增加的载荷作用下，材料尚未发生宏观的塑性变形就发生的正断，这种现象就是脆性断裂。4.3锤锻模失效分析锤锻模是在模锻锤上使用的热成型模具。锤锻模上模与锤头固定，下模与工作台的模座固定，工作时上模随锤头向下运动，与下模合模过程中成型模锻件。其工作过程中的机械负荷主要是冲击力和摩擦力，热负荷主要是交替受加热和冷却。受力分析：其工作过程中受力性质复杂，主要包括，冲击力，模锻锤的吨位越大，产生的冲击力越大；压力，模具型腔受坯料变形的反作用，是型腔表面承受很大的压力；内应力，受模具型腔结构形状的影响，模具的不同部位会产生不同状态的内应力，模具结构形状越复杂的部位，其应力状态也比较复杂。锤锻模的主要失效形式：模锻有变形和成型双重功能，只有在高温下才能实现材料的变形和成型，坯料温度较高，模具易软化，产生塑性变形，同时易氧化，产生氧化磨损，也易发生热疲劳。且下模与高温坯料接触时间长，使下模较上模易失效。模锻锤是冲击施力设备，速度大，动能大，锻